CN111232956B - 一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置 - Google Patents

一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置 Download PDF

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Abstract

一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置，属于碳纳米管合成装置技术领域，目的是提供一种利用甲烷二氧化碳重整还原铁矿石并生成碳纳米管的装置，利用获得成本低的还原铁颗粒作催化剂进行重整反应，重整反应的产物一氧化碳和氢气进一步去还原铁矿石颗粒，还原后的还原铁颗粒又进一步回流进行甲烷二氧化碳重整反应，因为铁基表面积碳堆积在适当条件下可以生成有经济价值的碳纳米管，整个过程实现了工艺的优化，使资源更加合理利用。

Description

一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置
技术领域
本发明属于碳纳米管合成装置技术领域，具体涉及一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置。
背景技术
碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学、热学及吸附等方面具有优异的特性而被广泛使用，但是昂贵的碳纳米管价格严重限制着其大规模应用市场。铁是生成碳纳米管和甲烷二氧化碳重整的良好催化剂，甲烷二氧化碳重整后生成的一氧化碳和氢气又是合成气，反过来可以还原铁矿石。
CN103898265A公开了一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石的系统装置及方法，该发明提出一条新工艺，利用炼焦过程产生的焦炉煤气中的相对于铁矿石还原惰性的甲烷组元变换成具有还原活性的氢和一氧化碳，然后将其引入竖炉直接还原铁矿石。该改质的技术原理是通过供应氧化剂的方法催化甲烷的重整反应，使甲烷中的碳转换成一氧化碳，氢变化为氢气，氧化剂包括还原铁矿石尾气中的二氧化碳和水蒸气。该专利虽然写了甲烷二氧化碳重整过程，但是却并没用来制备碳纳米管。且该专利中装置为竖炉、重整反应器、换热器以及废热回收器所组成的，较为复杂，不够紧密且占用空间。
发明内容
本发明目的是提供一种利用甲烷二氧化碳重整还原铁矿石并生成碳纳米管的装置，利用获得成本低的还原铁颗粒作催化剂进行重整反应，重整反应的产物一氧化碳和氢气进一步去还原铁矿石颗粒，还原后的还原铁颗粒又进一步回流进行甲烷二氧化碳重整反应，因为铁基表面积碳堆积在适当条件下可以生成有经济价值的碳纳米管，整个过程实现了工艺的优化，使资源更加合理利用。
本发明采用如下技术方案：
一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置，包括物料传输系统、反应系统、气路系统、加热系统和转动系统，物料传输系统与反应系统连接，气路系统与反应系统连接，加热系统与反应系统连接，转动系统与反应系统连接。
所述物料传输系统包括用于放置还原铁的物料仓Ⅰ、用于放置铁矿石的物料仓Ⅱ和两个螺旋给料机，螺旋给料机的一端分别与物料仓Ⅰ和物料仓Ⅱ的底部连接，螺旋给料机的另一端分别与反应系统连接。
所述反应系统包括回转炉，所述回转炉包括进行甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管反应的腔体Ⅰ、进行铁矿石还原反应的腔体Ⅱ和螺旋送料装置，腔体Ⅰ的侧壁设有安全阀，腔体Ⅱ位于腔体Ⅰ内，腔体Ⅱ的底部设有落料口，腔体Ⅰ的底部设有出料口，螺旋送料装置位于腔体Ⅱ的下方。
所述气路系统包括存储甲烷、二氧化碳和氮气的气体存储装置以及装有干燥的CaCl2的尾气处理装置，气体存储装置通过预混阀和管路Ⅰ与腔体Ⅰ连通，腔体Ⅰ和腔体Ⅱ通过管路Ⅱ连通，腔体Ⅱ的一侧通过管路Ⅲ与尾气处理装置的一端连通，尾气处理装置的另一端设有管路Ⅳ，预混阀通过管路Ⅴ与尾气处理装置连通，所述管路Ⅱ上设有气体流向从腔体Ⅰ流向腔体Ⅱ的单向阀Ⅰ，所述管路Ⅴ上设有气体流向从尾气处理装置流向预混阀的单向阀Ⅱ。
所述加热系统包括用于加热腔体Ⅰ的加热硅碳棒、用于加热腔体Ⅱ的微波加热器以及嵌在腔体Ⅰ和腔体Ⅱ内壁的用于测温的测温热电偶。
所述转动系统包括低速齿轮系统、高速齿轮系统和用于控制高速齿轮系统转速的转动调速装置，所述低速齿轮系统与回转炉连接，高速齿轮系统和低速齿轮系统相配合。
本发明直接利用纯净的甲烷和二氧化碳进行重整，确保了反应物的纯净度，重整后得到一氧化碳和氢气的合成气，从而提升了重整的效率的提升。合成气主要以一氧化碳和氢气为主，可以用来还原铁矿石，并将得到的二氧化碳进入重整反应过程中利用。重整过程中必然有大量积碳生成，而积碳在一定条件下是可以变为碳纳米管的，所以二氧化碳的副产物是碳纳米管。具有较强经济效益的产品碳纳米管。该发明直接使铁矿石还原、甲烷二氧化碳重整和碳纳米管生成三个工艺在一个装置中进行，结构简单、节省能源、减小排放，并使资源更加合理利用。
本发明的有益效果如下：
1. 本发明将甲烷二氧化碳重整、铁矿石的还原以及碳纳米管的生成三个反应整合到一个装置中先后进行，实现了资源的合理运用。
2. 本发明还原尾气中的二氧化碳可回流再次进行甲烷二氧化碳重整反应，还原后的铁矿石也可直接回流，作为重整反应的催化剂，实现了反应物的多次利用，工艺得到优化。
3. 本发明的甲烷二氧化碳重整反应在铁基催化剂表面形成积碳，从而得到铁基碳纳米管，该碳纳米管生成工艺成本较低，方法简便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的回转炉的左视结构示意图；
其中：1-物料仓Ⅰ；2-物料仓Ⅱ；3-螺旋给料机；4-气体存储装置；5-预混阀；6-管路Ⅰ；7-管路Ⅱ；8-管路Ⅴ；9-单向阀Ⅰ；10-单向阀Ⅱ；11-管路Ⅲ；12-尾气处理装置；13-管路Ⅳ；14-安全阀；15-腔体Ⅰ；16-腔体Ⅱ；17-落料口；18-螺旋送料装置；19-加热系统；20-出料口；21-低速齿轮系统；22-高速齿轮系统；23-转动调速装置。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
如图所示，一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置，包括物料传输系统、反应系统、气路系统、加热系统和转动系统，物料传输系统与反应系统连接，气路系统与反应系统连接，加热系统与反应系统连接，转动系统与反应系统连接。
所述物料传输系统包括用于放置还原铁的物料仓Ⅰ1、用于放置铁矿石的物料仓Ⅱ2和两个螺旋给料机3，螺旋给料机3的一端分别与物料仓Ⅰ1和物料仓Ⅱ2的底部连接，螺旋给料机3的另一端分别与反应系统连接。螺旋给料机3可以控制反应物颗粒的进入。
所述反应系统包括回转炉，所述回转炉包括进行甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管反应的腔体Ⅰ15、进行铁矿石还原反应的腔体Ⅱ16和螺旋送料装置18，腔体Ⅰ15的侧壁设有安全阀14，腔体Ⅱ16位于腔体Ⅰ15内，腔体Ⅱ16的底部设有落料口17，腔体Ⅰ15的底部设有出料口20，螺旋送料装置18位于腔体Ⅱ16的下方。
落料口17在所述腔体Ⅰ15与所述腔体Ⅱ16中发生反应时关闭，在铁矿石颗粒被还原后开启，同时启动所述螺旋送料装置18，回流腔体Ⅱ16中得到的还原铁颗粒。
出料口20在反应结束后开启，以烧杯等进行接收回收得到的铁基碳纳米管。
由于上述设置，各个反应可以在各自腔体中独立进行互不干扰，甲烷二氧化碳重整得到的一氧化碳与氢气气体能够单向流至腔体Ⅱ16中进行还原铁矿石的反应，落料口17与螺旋送料装置18有效地实现了使反应得到的还原铁颗粒进行回流的功能。
所述气路系统包括存储甲烷、二氧化碳和氮气的气体存储装置4以及装有干燥的CaCl2的尾气处理装置12，气体存储装置4通过预混阀5和管路Ⅰ6与腔体Ⅰ15连通，腔体Ⅰ15和腔体Ⅱ16通过管路Ⅱ7连通，腔体Ⅱ16的一侧通过管路Ⅲ11与尾气处理装置12的一端连通，尾气处理装置12的另一端设有管路Ⅳ13，预混阀5通过管路Ⅴ8与尾气处理装置12连通，所述管路Ⅱ7上设有气体流向从腔体Ⅰ15流向腔体Ⅱ16的单向阀Ⅰ9，所述管路Ⅴ8上设有气体流向从尾气处理装置12流向预混阀5的单向阀Ⅱ10。
甲烷与二氧化碳气体能够提前进行预混，反应能够更加充分，甲烷二氧化碳在腔体Ⅰ15中反应结束后得到的一氧化碳与氢气可以单向流至腔体Ⅱ16进行铁矿石的还原反应，得到的尾气可以由单向回流至预混阀5。
所述加热系统包括用于加热腔体Ⅰ15的加热硅碳棒、用于加热腔体Ⅱ16的微波加热器以及嵌在腔体Ⅰ15和腔体Ⅱ16内壁的用于测温的测温热电偶。
所述加热系统可分别将所述腔体Ⅰ15与所述腔体Ⅱ16以2-10℃/min的加热速率加热至700-1000℃。
所述转动系统包括低速齿轮系统21、高速齿轮系统22和用于控制高速齿轮系统22转速的转动调速装置23，所述低速齿轮系统21与回转炉连接，高速齿轮系统22和低速齿轮系统21相配合。
所述转动系统可使回转炉以0-10r/min的转速进行旋转。
转动时，所述低速齿轮系统21仅带动其间的所述腔体Ⅰ15、腔体Ⅱ15、加热系统与其包含的所述落料口17、螺旋送料装置18以及出料口20进行转动。
该装置可分别将腔体Ⅰ15与腔体Ⅱ16加热至不同的高温，以满足各个反应的温度条件，以一定速率进行回转能够使固体颗粒反应物与气体反应更加充分。
实施例
第一步，将破碎后的一定质量份数的还原铁与铁矿石颗粒分别通过所述物料仓Ⅰ1、物料仓Ⅱ2与其连接的螺旋给料机3传送至回转炉两个相连却相隔的腔体Ⅰ15、腔体Ⅱ16中，由管路Ⅰ6向整个反应器持续通入氮气1h后进行第二步。
第二步，启动腔体Ⅰ15处的加热装置，将还原铁所在体系加热至800℃，由管路Ⅰ6经预混阀5向该腔体Ⅰ15中通入比例为1:0.1、气体空速为1000 h-1的甲烷与二氧化碳气体，启动转动调速装置23，使腔体Ⅰ15、腔体Ⅱ16以及其中包含装置以5r/min的转速旋转，气体在腔体Ⅰ15中停留1h。
第三步，启动腔体Ⅱ16处的加热装置，将铁矿石所在体系加热至700℃，打开单向阀Ⅰ9，将第二步反应得到的一氧化碳与氢气由管路Ⅱ7通入腔体Ⅱ16中，启动转动调速装置23，使腔体Ⅰ15、腔体Ⅱ16以及其中包含装置以5r/min的转速旋转，气体在腔体Ⅱ16中停留1h。
第四步，将未反应的一氧化碳、氢气和反应后的水蒸气和二氧化碳混合作为尾气B，打开单向阀Ⅱ10，使尾气由管路Ⅲ11通过尾气处理装置12由管路Ⅴ8回流至预混阀5中，并与甲烷进行混合。
第五步，打开落料口17与螺旋送料装置18回流部分第三步得到的还原铁，重复第二步。
第六步，待反应结束后，打开出料口20，得到第五步所得的铁基碳纳米管，开启管路Ⅳ13，得到第五步所得的一氧化碳与氢气气体。
第七步，将得到的所有铁基碳纳米管进行酸洗提纯并干燥，得到纯净的碳纳米管。

Claims (1)

1.一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的装置，包括物料传输系统、反应系统、气路系统、加热系统和转动系统，物料传输系统与反应系统连接，气路系统与反应系统连接，加热系统与反应系统连接，转动系统与反应系统连接；
所述物料传输系统包括用于放置还原铁的物料仓Ⅰ（1）、用于放置铁矿石的物料仓Ⅱ（2）和两个螺旋给料机（3），螺旋给料机（3）的一端分别与物料仓Ⅰ（1）和物料仓Ⅱ（2）的底部连接，螺旋给料机（3）的另一端分别与反应系统连接；
所述反应系统包括回转炉，所述回转炉包括进行甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管反应的腔体Ⅰ（15）、进行铁矿石还原反应的腔体Ⅱ（16）和螺旋送料装置（18），腔体Ⅰ（15）的侧壁设有安全阀（14），腔体Ⅱ（16）位于腔体Ⅰ（15）内，腔体Ⅱ（16）的底部设有落料口（17），腔体Ⅰ（15）的底部设有出料口（20），螺旋送料装置（18）位于腔体Ⅱ（16）的下方；
其特征在于：所述气路系统包括存储甲烷、二氧化碳和氮气的气体存储装置（4）以及装有干燥的CaCl2的尾气处理装置（12），气体存储装置（4）通过预混阀（5）和管路Ⅰ（6）与腔体Ⅰ（15）连通，腔体Ⅰ（15）和腔体Ⅱ（16）通过管路Ⅱ（7）连通，腔体Ⅱ（16）的一侧通过管路Ⅲ（11）与尾气处理装置（12）的一端连通，尾气处理装置（12）的另一端设有管路Ⅳ（13），预混阀（5）通过管路Ⅴ（8）与尾气处理装置（12）连通，所述管路Ⅱ（7）上设有气体流向从腔体Ⅰ（15）流向腔体Ⅱ（16）的单向阀Ⅰ（9），所述管路Ⅴ（8）上设有气体流向从尾气处理装置（12）流向预混阀（5）的单向阀Ⅱ（10）；
所述加热系统包括用于加热腔体Ⅰ（15）的加热硅碳棒、用于加热腔体Ⅱ（16）的微波加热器以及嵌在腔体Ⅰ（15）和腔体Ⅱ（16）内壁的用于测温的测温热电偶；
所述转动系统包括低速齿轮系统（21）、高速齿轮系统（22）和用于控制高速齿轮系统（22）转速的转动调速装置（23），所述低速齿轮系统（21）与回转炉连接，高速齿轮系统（22）和低速齿轮系统（21）相配合。
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